冷芯盒制芯技术及应用现状

冷芯盒制芯技术及应用现状前言自1968年美国的阿什兰公司发明并推广冷芯盒技术以来，冷芯盒制芯因其生产效率高、节能，砂芯尺寸精度高、发气量低，芯盒寿命长、变形量小，铸件表面光洁、尺寸精度高（可达到CT7级），浇注后砂芯溃散性好等特点而被广泛采用。

尽管冷芯盒法除了ISOCURE法（阿什兰法）外，后来还开发了SO2法（呋喃树脂/SO2法、环氧树脂/SO2法、酚醛树脂/SO2法、自由基硬化法）、低毒或无毒的气硬促硬法（钠水玻璃/CO2法、酚醛树脂/脂法、有机粘结剂/CO2法）、FRC法，但目前应用最多的仍是ISOCURE法。

ISOCURE法是在原砂中加入一定量的组分I（液态的酚醛树脂）和II组分（聚异氰酸脂），在混砂机中混匀后，用射芯机射砂或人工填砂制芯，用干燥的空气、CO2气体或氮气作载体，通入约5%浓度的催化剂气体，使组分I中的酚醛树脂的羟基和组分II中的异氰酸基在催化剂的作用下，发生聚合反应生成尿烷树脂而固化。

冷芯盒的适应性强，它可以应用于铸造所有种类的黑色和有色合金以及适用于大多数铸造用砂，冷芯盒砂芯可小到136g，大到840Kg，最大达到1000磅；砂芯壁厚从3mm到170mm。

在国内外，冷芯盒技术已成功的应用于汽车、拖拉机、飞机、机床、泵业等行业，但在实际生产中，冷芯盒制芯工艺受到许多因素的影响，包括原材料、工装、工艺参数等。

本文对冷芯盒技术的应用中应注意的问题作了一定的综述，并对国内应用冷芯盒技术的情况作了说明。

一、冷芯盒生产中应注意的问题：冷芯盒技术的本质是组分I（液态的酚醛树脂）和II组分（聚异氰酸脂）在催化剂的作用下，生成尿烷的过程，即：催化剂酚醛树脂+聚异氰酸脂尿烷组分I的酚醛树脂结构要求为苯醚型，组分II为4，4’二苯基甲烷二异氰酸酯（MDA）或多次甲基多苯基多异氰酸脂（PAPI）等，美国推荐使用MDA，我国主要用PAPI。

组分I和组分II通常用高沸点的酯或酮稀释，以增加树脂的流动性和可泵性，使树脂容易包覆在砂粒表面，也增加芯砂的流动性，使砂芯致密。

催化剂为叔胺，可使用三乙胺（TEA）、二甲基乙胺（DMEA）、异丙基乙胺或三甲胺（TMA），因为三乙胺便宜，通常采用三乙胺作催化剂。

该反应过程非常迅速，在催化剂的作用下，可以立即完成反应。

冷芯盒的生产过程通常为：尽管冷芯盒树脂的硬化过程很快，但在生产过程中，原砂、水分、温度及工装对制芯过程和砂芯质量有很大的影响。

１、原砂所有用树脂作黏结剂的原砂都要求粒形好，粒度适当，以减少树脂的加入量，降低浇注时的砂芯发气量。

冷芯盒树脂要求原砂最好是圆形的，这样，原砂表面积最小，可以减少树脂的用量，对砂芯强度也最为有利。

但次角形的砂对减少飞边或毛刺有利。

一般要求原砂的角形系数<1.3,AFS细度为50-60，并且分布不要过于集中，最好分布在相邻的5-6个筛号，以利用浇注时不同粒度砂的膨胀时间差异来防止铸件产生脉纹现象。

因为冷芯盒树脂在碱性情况下提早发生反应，所以，原砂吸酸值高则芯砂的可使用时间缩短。

原砂的吸酸值为0-5最好，5-20为可用范围。

同样，原砂的PH=6-8是最好的。

许多金属氧化物呈碱性，过多的氧化物也会降低芯砂的可使用时间，故原砂中的氧化物含量要求<0.3%。

原砂的含泥量要尽可能的小。

含泥量增加，不仅降低了砂芯强度，降低了透气性，还使铸件产生脉纹缺陷的倾向增加，一般要求含泥量<0.3%。

水分能够与冷芯盒树脂中的组分II发生反应，而且水分的存在还能降低芯砂的流动性，造成砂芯疏松，使砂芯质量大大降低。

所以，冷芯盒工艺中对原砂的水分要求严格，原砂的水分最好在0.1%以下。

随着水分的增加，砂芯强度下降（如图1），铸件产生脉纹的倾向加大。

原砂水分<0.25%的也可用，但水分>0.25%，则砂芯的品质大降。

图1：砂芯抗拉强度与原砂含水量的关系冷芯盒制芯对原砂和树脂的温度要求也较为严格。

尽管目前冷芯盒树脂的粘度较低（如苏州兴业的组分I≤300mpa.s,组分II≤100mpa.s；亚什兰（常州）的组分I=120-200mpa.s,组分II=10-30mpa.s （均在25℃时）），但如果温度太低（如低于10℃），因树脂中的组分I变得粘性增加而造成混碾不匀；相反，如果砂温过高，则树脂反应加快，混好的砂子存放期就会变短。

目前使用的树脂，要求原砂温度最好在21-27℃之间，10-40℃虽然也能使用，但对砂芯质量有一定的影响。

２、混砂虽然冷芯盒混砂可以使用任何类型的混砂机，但是，使用碗形快速混砂机最好，并且随用随混。

混砂时，一方面要使混砂时间短些，以便不影响芯砂的可使用时间（空气的湿度、混砂时的发热和溶剂的挥发都可以影响到芯砂的可使用时间）；另一方面，又必须混匀，使树脂均匀的包覆在砂粒的表面，发挥最大的粘结强度。

混砂时一般为先加原砂，再加组分I，混碾一定时间后，再加组分II，混匀后出砂，即混碾混匀原砂+组分I 组分II 出砂其实，先加哪一组分并没有特别的优点，两组分同时加入也可以（但不可存放时混合）。

砂芯的强度随树脂的加入量增加而增加，但同时铸件产生脉纹的倾向加大，而且，树脂加入量过高，成本加大，发气量增加，因此，一般控制树脂加入量在2.0%以内（国外生产轻金属合金时树脂的加入量最低可至0.6%，国内黑色铸造一般为1.2-2.0%）。

在树脂加入量一定时，随着组分II的增加，砂芯终强度和抗吸湿性增加，在50：50时达到最高，之后，随着组分II的继续增加，砂芯终强度和抗吸湿性下降，在组分II的加入量为80%时，砂芯强度几乎完全丧失；随着组分II的减少，制芯时降低了粘模性，取芯变得容易，铸件产生脉纹的倾向减少，而且由于含氮量降低（组分II中含有3-4%的氮），铸件气孔缺陷减少，但对粘砂影响不大。

决定砂芯质量的是组分I的性能和加入量。

３、添加剂正常生产时一般不加添加剂，为解决铸件出现的某一缺陷，有时在混砂时加入某种添加剂。

添加剂有氧化铁、纤维素材料、耐火泥、硅粉、糖浆等。

氧化铁红的加入量在砂总量的0.25-3%之间，可以减少铸件皮下气孔和表面针孔的缺陷，也可以减少脉纹缺陷。

氧化铁黑也可以使用，并不需要多加树脂以弥补因砂中细粉过多而造成的强度下降。

还有加极细的干燥的木屑来防止脉纹的产生。

其原理可能是加入附加物后，能缓解石英砂在高温时的瞬时膨胀。

但附加物的加入，可能引起粘砂缺陷。

氧化铁的加入，还会使出砂性能变差。

有色金属用砂芯还常在树脂中加入0.1%-1.0%的氟硼酸钾或0.25-0.5%的硫磺作为抑制剂，以弥补由于树脂系统误差而引起的误差。

４、压缩空气压缩空气用做催化剂的载体和洗涤砂芯用，也有用CO2和N2用载体的（因为三乙胺易燃易爆，用CO2和N2用载体更加安全）。

所用的压缩空气如果含有水分，则对砂芯的质量影响很大，因为在射砂时或随后的吹气净化过程中，水分都可与树脂中的II组分发生反应而影响砂芯的强度。

分还降低了砂子的流动性而使砂芯疏松。

因此，冷芯盒所用的压缩空气必须是干燥的。

一般来说，生产薄的复杂砂芯时所用的空气的露点最好在大气压下为―50℉，生产厚大砂芯时所用的空气的露点在―10℉下也可以使用。

一般采用吸附法或冷冻法除水。

冷冻法比吸附法效果要好，而且稳定。

５、工装在冷芯盒制芯中，由于砂芯的硬化不是加热，而是靠三乙胺气体的催化来完成的，因此，芯盒可以使用任何材料制作，铸铁、钢、铝、塑料、树脂甚至木头都可以，芯盒不会因加热引起变形，砂芯精度非常高。

在制芯过程中，为了得到完好的砂芯，首先必须确保砂芯射得致密，其次，要确保催化剂均匀的达到砂芯的每一个地方，使砂芯硬化。

芯砂紧实一般利用压缩空气来完成，这在大量生产时非常必要。

也可以用震实、挤压、手椿或刮砂的方法来完成，但必须保证砂芯的紧实度。

如果利用压缩空气来完成射砂及紧实，射嘴的大小和位置是十分重要的，应该尽量选用口径大而直的射嘴，以降低吹砂压力即冲击速度，从而减少树脂残留在芯盒上，同时降低砂子与芯盒的磨损。

射砂时间非常短，通常在3-5s之间，射砂时气流的速度非常快，通常情况下，如果射砂时的空气压力为0.6Mpa，则在射嘴出口的气流速度可达235m/s。

如此高的冲击速度，极容易造成砂粒撞击芯盒内壁后回弹，使树脂粘在芯盒上，增加粘模性，不易脱模甚至砂芯损坏。

因此，要选用低的射砂压力和大的射嘴。

射嘴面积的选用，厚大的砂芯要保证0.2平方英寸/磅，复杂砂芯则要保证不小于0.35平方英寸/磅。

吹砂压力在0.25-0.3MPa是最好的，不要超过0.4MPa。

三乙胺发生器到芯盒的进气管路设计要根据砂芯的大小来决定，最好是大口径的管路，弯头尽可能的少，线路尽可能的短，保证催化剂气体迅速、畅通的进入芯盒。

推荐的进气管口径如表1。

表1：推荐的进气管口径而排气管路（芯盒排气到废气处理）的管径也要尽可能的大，最好设计排气量为进气量的3倍以上，尽量少用弯头和T型接头，保证排气畅通。

射砂嘴和排气塞的数量和布置既要保证射砂时能使整个砂芯致密，还要保证催化剂能均匀的到达砂芯的每一个部位。

进气面积要尽可能的大，可以保证在砂芯的一面迅速充满催化剂气体，排气面积比进气面积要小，一般为进气面积的60-80%，并且位置要适当。

如果催化剂气体不能到达，则该处就不能硬化，造成砂芯局部强度不够；如果要想使该部位硬化，只有延长硬化时间，这样就造成了催化剂的浪费，也降低了生产效率。

射嘴位置最好开在砂芯的最大面积处，以便砂子均匀的、畅通无阻的射满模腔各个角落。

射嘴方向、催化剂流动的方向和排气塞方向要一致，以保证催化剂能通畅的到达砂芯的每一个地方。

压缩空气管路口径太小、催化剂输送管路口径太小、催化剂混合气进气分布不好、射嘴、排气塞面积过小、催化剂在砂芯中流动有短路现象、排气管太长或太细都会导致催化剂用量过高或硬化速度过慢。

正常的砂芯硬化速率应是厚大砂芯高于10磅/秒，复杂砂芯高于3磅/秒。

就具体的三乙胺用量而言，厚大的砂芯每吨砂少于1磅（0.33ml/b），复杂砂芯少于1.6磅（0.5ml/b），说明工装设计的非常合理。

在实际生产中，平均催化剂消耗量要高一些，厚大的砂芯通常在1-2b/t、复杂砂芯在1.7-2.2b/t之间，超过了该范围，说明工装设计存在不合理的地方。

芯盒的密封也非常重要。

密封有芯盒与芯盒、芯盒与射腔，如图2所示，如果密封损坏，催化剂就会漏掉，造成硬化不良、硬化速度慢和催化剂浪费。

图2：硬化过程示意图硬化所用的三乙胺只是一种催化剂，加速两种树脂的聚合反应速度，使反应在几秒中内即可完成，而没有催化剂，反应则需要几个小时或几天的时间才能完成。

在反应过程中，胺只是某种电子的位移，反应结束后，三乙胺本身并没有发生改变。

因此，进入多少催化剂，就排出多少催化剂。

由于三乙胺有臭味，蒸汽刺激眼睛和呼吸系统，并且是极易燃易爆的危险品，因此，除了必须保证密封外，硬化反应过程中，必须抽风排出尾气；反应结束后，还必须清洗干净砂芯中和芯盒工装中的胺，保证工作环境良好。